基于DSP的Bluetooth嵌入式系統(tǒng)應用

摘要：以TI的TMS302VC54x數(shù)字信號處理器（DSP）為嵌入式控制器、ERICSSON的藍牙模塊為例，在藍牙電纜替代協(xié)議應用模塊的基礎上，提出一種將電纜替代協(xié)議進行擴展的嵌入式藍牙應用模式及其硬、軟件的實現(xiàn)。

    關鍵詞：Bluetooth 嵌入式系統(tǒng) DSP 協(xié)議

藍牙（Bluetooth）協(xié)議標準是由藍牙特別興趣小組（Bluetooth SIG）發(fā)布的，1999年發(fā)布了Bluetooth 1.0版，2001年2月發(fā)布了Bluetooth1.1版。目前SIG成員已經(jīng)發(fā)展到3000家左右。藍牙協(xié)議規(guī)定的無線通信標準，基于免申請的2.4GHz的ISM頻段，采用GFSK跳頻技術和時分雙工（TDD）技術，通信距離為10米左右，Blue tooth 1.0版標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。主要適用于各種短距離的無線設備互連應用場合�？梢蕴峁�點到點或點到多點的無線連接。
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1 基于電纜替代的藍牙協(xié)議簡析

1.1 藍牙協(xié)議體系

藍牙協(xié)議規(guī)范所措述的協(xié)議棧模式如圖1所示。

藍牙體系結(jié)構中的協(xié)議可分為四層：

核心協(xié)議：基帶控制協(xié)議（Baseband）、鏈路管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制應用協(xié)議（L2CAP）、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）；

    電纜替代協(xié)議：RFCOMM；

電話傳送控制協(xié)議：TCS二進制、AT命令集；

可選協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

在協(xié)議中，規(guī)定了為基帶控制器、LMP、硬件狀態(tài)及控制寄存器提供命令接口的主機控制器接口（HCI）。在不同的應用模式下，HCI所處的位置不同。它可以位于L2CAP的下面，也可以在L2CAP之上。

1.2 電纜替代協(xié)議應用模式

基于ETSI標準的TS07.10信令的RFCOMM協(xié)議，提供了一個基于L2CAP協(xié)議之上的串口仿真應用模式。藍牙協(xié)議1.0版中，RFCOMM提供的上層服務模式主要有三種：對9針RS-232接口仿真模式、空Modem仿真模式和多串口仿真模式。典型的RFCOMM應用模式框圖如圖2所示。

    1.3 藍牙嵌入式應用模式

僅僅以RFCOMM協(xié)議為基礎，作為串口的電纜替代應用，無形中限制了藍牙設備的應用范圍，降低了藍牙設備的應用價值。目前計算機與外部設備的接口種類繁多，比較常見的有RS-232、RS-485、Parallel Port、CAN總線、SPI總線、I2C總線等。如果要使藍牙設備在各種場合發(fā)揮作用，必須使藍牙設備具備適合這些應用場合的多種接口功能。使用DSP數(shù)字信號處理器作為嵌入式控制器，不僅實現(xiàn)藍牙物理設備的初始化、藍牙高層協(xié)議，而且利用其接口靈活的特點，可以方便地對藍牙電纜替代協(xié)議進行有效擴展。具體應用模式如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構

本系統(tǒng)的構成在硬件上分為兩個部分，藍牙基帶和射頻部分采用愛立信（ERICSSON）公司提供的藍牙模塊ROK101007；嵌入式控制器采用美國TI公司的TMS320VC54X系列的DSP數(shù)字信號處理器。

    2.1 ERICSSON藍牙模塊

ROK101007是根據(jù)藍牙規(guī)范1.0版（Bluetooth 1.0B Version）而設計的短距離藍牙通信模塊，它包括三個主上部分：基帶控制芯片、Flash存儲器和Radio芯片。它工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段，支持聲音和數(shù)據(jù)的傳輸，其主上功能參數(shù)有：

Bluetooth 1.0B預認證；

2級RF射頻功率輸出；

提供FCC和ETSI糾錯處理；

最大460 KB/s UART數(shù)據(jù)傳輸速率；

提供UART、USB、PCM、I2C等多種HCI接口；

提供內(nèi)部晶振；

內(nèi)部預制HCI框架；

點到點、點到多點操作；

嵌入式屏蔽保護。

    ROK101007特別適合計算機及外圍設備、手持設備、端口設備使用。其內(nèi)含的藍牙協(xié)議構架及內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖4、圖5所示。

2.2 DSP處理器

TMS320C54X是16-bit定點DSP，適合無線通信等實時嵌入式應用的需要。C54x使用了改進的哈佛結(jié)構。CPU具有專用硬件算術運算邏輯，大量的片內(nèi)存儲器、增強的片內(nèi)外設以及高度專業(yè)化的指令集，使其具有高度的操作靈活性和運行速度。主要特點如下：

運算速度快：指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運算能力為40/50/66/80/100MIPS；

優(yōu)化的CPU結(jié)構：內(nèi)含1個40位的算術運算邏輯單元，2個40位的累加器，2個40位的加法器，1個17×17的硬件乘法器和1個40位的桶形移位器。有4條內(nèi)部總線和2個地址產(chǎn)生器等。先進的CPU優(yōu)化結(jié)構可以使DSP高效地實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)中的各種功能。

    低功耗方式：54x系列DSP可以在3.3V或2.7V電壓下工作，而有些DSP內(nèi)核采用1.8V電壓工作以減小功耗。

智能外設：除了標準的串行口和分時復用（TDM）串口外，54x還提供了多路緩沖串口（McBSP）和外部處理器通信的HPI并行接口。

2.3 系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)中，采用單5V電源供電，嵌入式系統(tǒng)控制器與藍牙模塊之間的HCI接口采用UART方式。硬件構成框圖如圖6所示。整個系統(tǒng)分為四個部分：發(fā)射機、嵌入式控制器、電源管理、接口邏輯。

（1）發(fā)射機由藍牙模塊ROK101007和阻抗為50Ω的天線構成。初始化階段，模塊接收控制器通過UART發(fā)送的HCI命令，實現(xiàn)藍牙設備的復位、啟動、地址查詢、跳頻算法、自動尋呼等初始化操作，與附近的藍牙設備建立可靠的物理鏈路，并對物理鏈路進行相應的加密。在數(shù)據(jù)傳送階段，接收控制器（HCI驅(qū)動模塊）送來的HCI數(shù)據(jù)包，經(jīng)過模塊中HCI固件（HCI Firmwire）轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)據(jù)包并送給基帶協(xié)議層（Baseband）處理，基帶對上層送來的數(shù)據(jù)進行解碼，將其變?yōu)榭梢园l(fā)送的位數(shù)據(jù)流，按照設定的跳頻算法，采用高斯頻移鍵控（GFSK）編碼方式通過天線送出去。接收數(shù)據(jù)時，以相反的過程將接收到的數(shù)據(jù)進行編碼，組合成HCI數(shù)據(jù)包格式并通過UART口送給控制器。具體的收發(fā)執(zhí)行過程可以參考ROK101007數(shù)據(jù)及應用手冊以及藍牙協(xié)議相關部分。

（2）嵌入式控制器由TI的定點數(shù)字信號處理器TMS320C54x、Flash Memory、SRAM組成，完成對藍牙模塊的初始化、數(shù)據(jù)傳送、協(xié)議實現(xiàn)等功能。

    （3）接口控制邏輯包括應用接口和控制接口。控制接口為控制器的HPI接口，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的在線特殊控制和Flash在線編程數(shù)據(jù)傳送口。HPI控制接口通過DSP的HPI主機接口實現(xiàn)。應用接口包括RS-232/RS-485串行接口邏輯、并行接口邏輯（如IEEE488總線）、SI同步串口邏輯，在不同的嵌入式應用中，分別通過不同的接口形式實現(xiàn)本嵌入式系統(tǒng)與主設備控制器的接口。應用接口通過DSP的片內(nèi)外設（enhanced peripherals）或者通用I/O端口模擬實現(xiàn)。

（4）電源管理。系統(tǒng)通過單5V電源供電，可以簡單地從主設備接口中獲取電源，無須另加電源器件。電源管理模塊采用TI專用電路，提供兩路電壓輸出，+3.3V工作電壓和+1.8V控制器內(nèi)核工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用TI提供的DSP5000系列專用集成

開發(fā)工具CCS1.2開發(fā)。系統(tǒng)軟件構成包括應用端口通信及協(xié)議模塊、L2CAP協(xié)議模塊、HCI接口驅(qū)動模塊、HPI通信模塊和Flash編程模塊。主要任務可分為：系統(tǒng)初始化、Flash編程、建立物理鏈路、數(shù)據(jù)傳送和接收等。整個軟件流程如圖7。

由于藍牙模塊本身具有線路加密功能，因此在本系統(tǒng)設計中沒有考慮軟件加密功能。在實際的設計和應用過程中，可以視其實際應用環(huán)境和系統(tǒng)處理速度而添加軟件加密模塊。由于跳頻通信本身具有高抗干擾性的特點，本嵌入式藍牙應用系統(tǒng)不僅可以應用于各種終端設備和手持設備間的中低速無線數(shù)據(jù)交換，而且可廣泛地應用于各種工業(yè)設備、軍事裝備的檢測和控制領域。

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